70
Kết quả cho thấy hướng nhà tốt nhất cho văn phịng mẫu nằm ở góc 155 độ (hướng Nam đến Tây Nam), hướng nhà xấu nhất nằm ở góc 65 độ (hướng Tây đến Tây Bắc). Tiếp tục sử dụng cơng cụ phân tích bóng đổ để so sánh ảnh hưởng của hướng cơng trình đến thiết kế tịa nhà dựa trên quỹ đạo mặt trời.
Bảng 6.1 So sánh quỹ đạo bóng đổ đối với hướng cơng trình bằng phần mềm Ecotect Analysis 2011
So sánh phương án lựa chọn hướng cơng trình dựa vào quỹ đạo bóng đổ với chu kì 1 ngày, thời điểm được lựa chọn để so sánh vào ngày 1 tháng 7 hàng năm bằng cơng cụ Shadow Range
71
Hình 6.5 Bóng đổ phương án tịa nhà hướng Nam đến Tây Nam
Nhận xét:
Dựa vào quỹ đạo bóng đổ, ta thấy phương án nhà hướng Tây đến Tây Bắc tỷ lệ ánh sáng chiếu trực tiếp vào mặt có bố trí cửa sổ là rất lớn, trái ngược với phương án nhà hướng Nam đến Tây Nam, bóng đổ tự thân bao phủ mặt đứng có bố trí cửa sổ làm giảm hấp thụ BXMT, từ đó giảm mức TTNL điện của hệ thống ĐHKK.
72
6.1.2 Tỷ lệ cửa sổ trên tường
Thiết kế tỷ lệ cửa sổ trên tường, lựa chọn kích thước, vị trí, thơng số kỹ thuật, loại kính trên cửa sổ phù hợp là cực kỳ quan trọng. Việc này giúp cơng trình giảm ảnh hưởng của hiện tượng quá nhiệt vào mùa hè, mất nhiệt vào mùa đơng, bên cạnh đó cũng góp phần làm tăng khả năng lưu thơng khơng khí tự nhiên.
6.1.3 Phân vùng không gian và thiết kế cảnh quan hiệu quả
Phân vùng khơng gian trong cơng trình một cách hợp lý bằng cách sắp xếp bố cục các phịng chức năng có các u cầu cách nhiệt khác nhau nhằm tránh lãng phí năng lượng làm mát. Ví dụ như, bố trí sơ đồ mặt bằng cơng trình sao cho các khơng gian như phịng khách, phòng họp, phịng sinh hoạt chung tách biệt với khơng gian làm việc.
Sử dụng các không gian trống liền kề, các không gian phục vụ công cộng như nhà vệ sinh, phòng kỹ thuật, thang bộ nằm dọc theo mặt đứng hướng Tây như một vùng đệm nhiệt cho tịa nhà. Bên cạnh đó, cách bố trí này cũng làm tăng tỷ lệ sử dụng ánh sáng tự nhiên, từ đó giảm tiêu thụ điện năng cho chiếu sáng.
Bố trí tối ưu cảnh quan cũng được cân nhắc như một giải pháp để che nắng, điều chỉnh hướng gió và tăng khả năng làm mát thụ động cho tòa nhà.
6.1.4 Kết cấu che nắng
Bố trí các kết cấu che nắng như hệ lam, ô văng hoặc mảng xanh (bao gồm lớp thực vật và cả lớp chất trồng) giúp cơng trình hạn chế việc hấp thụ nhiệt sinh ra từ BXMT thơng qua các lỗ thơng gió, cửa sổ, khơng gian bên ngồi và các mặt đứng của cơng trình. Từ đó giảm đánh kể năng lượng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi bên trong cơng trình.
73
Bảng 6.2 Minh họa đường đi tia nắng chiếu vào cơng trình bằng phần mềm Ecotect Analysis 2011
Hình 6.6 Đường đi tia nắng phương án khơng sử dụng lanh tô
Nhiệt lượng sinh từ tia nắng mặt trời (Solar Direct Gain) Qg = 822 Wh Hình 6.7 Đường đi tia nắng phương án sử dụng lanh tô
74
Nhận xét: dựa vào minh họa đường đi tia sáng bằng công cụ Solar Ray, nhận
thấy rằng đối với cửa sổ có bố trí ơ văng, lượng tia sáng bị cản lại tại vị trí ơ văng rất lớn, làm giảm đáng kể tia sáng chiếu trực tiếp vào trong cơng trình so với phương án khơng bố trí ơ văng. Từ đó giúp cơng trình hạn chế việc hấp thụ nhiệt sinh ra từ BXMT, giảm TTNL điện cho nhu cầu làm mát tòa nhà.
6.2. Giảm chỉ số truyền nhiệt tổng OTTV và tối ưu lớp vỏ cơng trình
Hầu hết các tịa nhà văn phịng đều có sử dụng ĐHKK để làm mát, hệ thống HVAC để điều khiển mơi trường bên trong tịa nhà. Việc giảm chỉ số truyền nhiệt tổng giúp tối ưu hiệu quả cách nhiệt của lớp vỏ tòa nhà, nhằm hạn chế sự truyền nhiệt từ bên ngồi vào cơng trình cũng như thất thốt nhiệt từ bên trong ra, từ đó giảm tải cho hệ thống làm mát tịa nhà.
Hình 6.8 Minh họa hiệu quả cách nhiệt của lớp vỏ tòa nhà bằng hệ số OTTV (Nguồn: VGBC). (Nguồn: VGBC).
Theo yêu cầu của QCVN 09:2017/BXD, Chỉ số truyền nhiệt tổng (OTTV) tối đa đối với tường là 60W/m2, đối với mái là 25W/m2.
75
6.2.1 Sử dụng vật liệu có hệ số truyền nhiệt thấp cho mái
Đối với các tịa nhà có diện tích mái rộng, nhiệt lượng được hấp thụ của lớp vỏ cơng trình thơng qua mái là rất lớn, một phương án cách nhiệt mái tốt có thể làm giảm mức TTNL điện cho tòa nhà.
Theo yêu cầu của QCVN 09:2017/BXD, kết cấu mái bằng hoặc độ dốc nhỏ hơn 150 bao phủ trực tiếp lên khơng gian có sử dụng ĐHKK phải có giá trị tổng nhiệt trở R0.min lớn tối thiểu 1,00 m2.K/W.
6.2.2 Sử dụng vật liệu có hệ số truyền nhiệt thấp cho tường
Thiết kế tường bao che với khả năng cách nhiệt tốt giúp giảm hấp thụ nhiệt độ cao từ bên ngoài cũng như thất thoát nhiệt độ làm mát từ bên trong ra. Tường bao bên ngồi tịa nhà (khơng kể đến phần tường xun sáng) cho khơng gian có sử dụng ĐHKK phải có trị số tổng nhiệt trở nhỏ nhất R0.min lớn tối thiểu 0,56 m2.K/W; Bảng 6.3 Một số cấu tạo tường phổ biến áp dụng cho các cơng trình sử dụng HQNL.
77
6.2.3 Sử dụng kính bao che có hệ số hấp thụ nhiệt thấp
Theo QCVN 09:2017/BXD, hệ số hấp thụ nhiệt SHGC quy định cho cửa kính trên mái bằng khơng được lớn hơn 0.3, đối với tầng mái sử dụng ánh sáng tự nhiên, hệ số SHGC cho phép đối với cửa trời là khơng lớn hơn 0.6.
Bên cạnh đó, kính Low E TKNL cũng mang lại rất nhiều ưu điểm như hấp thụ nhiệt ít và phát xạ nhiệt chậm, hệ số phát xạ của kính Low E chỉ nằm ở khoảng ≤ 0.04 so với kính thường ≤ 0.89.
78 Bảng 6.5 So sánh thơng số các dịng kính TKNL STT Chủng loại kính Độ truyền sáng (%) SHGC U-Value (W/m2.K) Hệ số phát xạ 1 Kính hộp thơng thường 24mm 82 0.83 2.7 0.89 2 Kính hộp Low E Neutral T70 24mm 65 0.42 1.3 0.04 3 Kính hộp Low E Neutral T40 24mm 42 0.28 1.4 0.65 4 Kính Hộp Solar control Neutral T45 24mm 42 0.37 2.2 0.45
6.2.4 Sử dụng vật liệu hồn thiện bề mặt cơng trình có hệ số SRI cao
Chỉ số SRI của vật liệu càng cao khả năng phản xạ BXMT của vật liệu càng tốt. SRI màu đen tiêu chuẩn là 0, SRI màu trắng tiêu chuẩn là 100.
79
80
6.2.5 Lắp đặt mái xanh, tường xanh cho cơng trình:
Việc lắp đặt mái xanh và tường xanh cho cơng trình đem lại rất nhiều lợi ích, như đóng vai trị là một hệ thống đệm thu nước mưa mái, lọc khơng khí, tăng khả năng chống cháy, cách nhiệt, thì khả năng góp phần giúp TKNL cho tòa nhà được xem là lợi ích to lớp nhất. Lớp thực vật và lớp chất trồng có thể xem như một lớp cách nhiệt rất tốt cho tịa nhà. Từ đó tránh truyền nhiệt từ mơi trường bên ngoài vào cũng như thất thốt nhiệt từ bên trong cơng trình, điều này làm giảm tải cho hệ thống ĐHKK tòa nhà, TKNL làm mát là tăng tuổi thọ thiết bị.
6.3. Làm mát cơng trình 6.3.1 Thơng gió tự nhiên 6.3.1 Thơng gió tự nhiên
Việc thiết kế thơng có tự nhiên hiệu quả sẽ giúp giảm tải cho hệ thống HVAC, TKNL và chi phí vận hành theo suốt vịng đời cơng trình nhưng vẫn đảm bảo tiện nghi nhiệt và sự thoải mái bên trong. Các giải pháp thơng gió tự nhiên thường được áp dụng như:
- Tận dụng chính dịng khơng khí tự nhiên để lưu thơng khơng khí và tiện nghi nhiệt, điều này địi hỏi cơng trình phải định hướng được các luồng
gió chính tại địa phương. Ở Việt Nam, vào mùa hè hướng gió chính là hướng Nam và Đông Nam, đối với mùa đơng hướng gió chủ đạo là hướng Bắc đến Đơng Bắc, do đó, cơng trình cần được thiết kế sao cho hướng cửa sổ hoặc các lỗ mở trên tường, trên mái có thể đón gió tốt cho tịa nhà. Cửa đón và thốt gió được bố trí nằm ở hai mặt nhà khác nhau, lý tưởng nhất là ở hai mặt đối diện, cách bố trí này cho phép luồng gió có thể đi xun qua khơng gian bên trong tịa nhà thơng qua các khoảng lưu thơng khơng khí ở dạng lối đi, sân vườn, hành lang giúp khơng khí nóng được thốt ra ngồi qua cửa mở. Thiết kế có thể tham khảo số liệu về tần suất hướng gió theo vị trí địa lý tại Bảng 2.16 của QCVN 02:2009/BXD - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia: Số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng hoặc dữ liệu khí tượng của địa phương.
81
- Thơng gió nhờ vào sự chênh lệch mật độ khơng khí do các vùng nhiệt độ khác nhau: Khối khơng khí nóng có tính chất khơ và nhẹ hơn thường sẽ
có xu hướng bốc lên trên, các khối khơng khí lạnh thường ẩm và nặng hơn thường sẽ chìm xuống dưới. Từ đó, bố trí các lỗ mở hợp lý sẽ khiến khơng khí mát mẻ đi vào, khối khơng khí nóng bên trong cơng trình sẽ bị đẩy lên vị trí cao nhất rồi thốt ra ngồi.
Hình 6.9 Minh họa 2 giải pháp thơng gió tự nhiên tận dụng hướng gió và thơng gió từ áp lực nhiệt (Nguồn: VGBC).
6.3.2 Điều hịa khơng khí
Đặc điểm của những tòa nhà văn phịng là khơng gian làm việc rộng, u cầu diện tích mặt sàn lớn, nhiều phịng với các cơng năng đa dạng, tần suất người mở cửa ra vào rất nhiều. Do đó việc tiêu tốn điện năng khi hệ thống làm mát hoạt động sẽ cao hơn so với các cơng trình khác, dẫn tới nếu có các phương án lựa chọn và lắp đặt các thiết thị ĐHKK hiệu quả sẽ giảm đáng kể lượng điện năng phải cấp cho nhu cầu làm mát.
Cải thiện hiệu năng của hệ thống ĐHKK
Lựa chọn và lắp đặt hệ thống ĐHKK có hệ số hiệu quả làm lạnh CSPF hoặc chỉ số hiệu quả COP cao, khuyến cáo theo QCVN 09:2017/BXD, giá trị của các hệ
82
số này tối thiểu như trong bảng bên dưới
Bảng 6.7 Giá trị hệ số CSPF tối thiểu đối với máy ĐHKK khơng ống gió có năng suất lạnh <12W
Bảng 6.8 Giá trị hệ số COP tối thiểu đối với các loại máy ĐHKK làm lạnh trực tiếp vận hành bằng điện năng khác.
83
84
Sử dụng điều khiển biến tần
Lắp đặt điều khiển biến tần cho hệ thống ĐHKK giúp điều khiển cấp tốc độ các động cơ bơm, máy nén và quạt. Vì vậy có thể kiểm sốt một cách linh hoạt cách thức vận hành của hệ thống ĐHKK, tùy thuộc vào tình hình thực tế và suất phụ tải thực, hệ thống có thể được đưa vào chế độ hoạt động tối ưu nhất. Điều này có nghĩa là các bộ điều khiển biến tần cho phép điều khiển hệ thống và thiết bị ĐHKK luôn làm việc ở chế độ có lợi nhất với hiệu suất cao đồng nghĩa với việc hệ thống sẽ tiêu thụ ít điện năng nhất.
Một số hệ thống điều khiển biến tần như:
- Hệ thống VRV/VRFs(Variable Refrigerant Volume / Variable Refrigerant Flow).
- Lắp đặt biến tần (VSD) cho các thiết bị của hệ chiller như máy bơm nước lạnh và/hoặc quạt chuyên dụng của tháp giải nhiệt.
- Lắp đặt máy nén biến tần (inverter) cho các chiller, máy điều hoà lắp đặt trên mái và ĐHKK 2 cụm.
- Lắp đặt hệ thống biến đổi lưu lượng gió VAV (Variable Air Volume) có hiệu năng cao.
85
6.4. Chiếu sáng
Điện năng cấp cho chiếu sáng nhân tạo cũng chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng mức TTNL của cơng trình. Thiết kế tối ưu hệ thống chiếu sáng sẽ góp phần giảm thiểu mức năng lượng phục vụ chiếu sáng, từ đó có thể tăng hiệu quả TKNL cho cơng trình.
6.4.1 Giảm mật độ công suất chiếu sáng
Giảm mật độ công suất chiếu sáng là phương pháp giúp giảm trực tiếp mức TTNL điện cho chiếu sáng nhân tạo, thường được áp dụng bằng những cách như:
- Sử dụng các loại đèn TKNL (như đèn huỳnh quang T5, đèn LED…) và các loại chấn lưu có hiệu năng cao.
- Tối ưu hệ thống chiếu sáng, thực hiện mơ phỏng để có mức độ chiếu sáng phù hợp với công năng.
- Lựa chọn loại tường và trần nhà có hệ số phản xạ ánh sáng cao.
- Sử dụng đèn có thiết kế có bộ phận phản xạ, hoặc lắp đặt các chao đèn, gương phản xạ, bộ khuếch tán ánh sáng cho các bộ đèn.
Bảng 6.10: LPD tối đa đối với các loại cơng trình và khơng gian sử dụng (Tham khảo từ Bảng 2.5 - QCVN 09:2017/BXD) khảo từ Bảng 2.5 - QCVN 09:2017/BXD)
86
6.4.2 Sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng
Bằng cách lắp đặt một hệ thống thơng minh, việc chiếu sáng cho tịa nhà sẽ trở nên an toàn, năng suất và hiệu quả hơn. Các loại thiết bị điều khiển có thể kể đến như:
- Cảm biến tắt đèn khi khơng có hoạt động của con người; - Bộ hẹn giờ cài đặt thời gian tắt mở đèn;
- Cảm biến ánh sáng tự nhiên giúp giảm công suất và/hoặc tự động tắt thiết bị chiếu sáng nhân tạo;
- Hệ thống điều khiển cho phép có thể tự điều chỉnh mức độ chiếu sáng để phù hợp với hoạt động hoặc không gian cụ thể;
6.5. Năng lượng tái tạo
Sử dụng các nguồn NLTT góp phần giảm mức TTNL chung, bằng cách sử dụng điện năng sinh ra từ các nguồn như năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy năng và một số dạng năng lượng sinh học khác. Giải pháp NLTT được lựa chọn để sử dụng phổ biến nhất tại Việt Nam là điện mặt trời áp mái, giải pháp này đã và đang được đẩy mạnh phát triển và mang lại nhiều lợi ích thiết thực.
Hệ thống này bao gồm các tấm pin NLMT được lắp đặt trên mái, mục đích để chuyển đổi BXMT thành dịng điện một chiều, sau đó dịng điện này sẽ được bộ nghịch lưu inverter chuyển hóa thành dịng điện xoay chiều và kết nối tới tủ điện chính của tịa nhà, cung cấp điện cho các thiết bị hoạt động song song với nguồn điện lưới. Điều này giúp tịa nhà có thể cung cấp điện năng cho chính nhu cầu sử
87
dụng của nó, từ đó chi phí tiền điện cần thanh tốn chỉ là phần điện cịn thiếu trong tổng nhu cầu điện tiêu thụ, trên thế giới hiện nay đã có nhiều tịa nhà hồn tồn sử dụng NLMT để cung cấp điện.
Ngồi lợi ích trực tiếp là tiết kiệm chi phí cho tiêu thụ điện trong q trình vận hành, sử dụng điện mặt trời bằng bằng cách lắp đặt các tấm pin năng lượng cịn đóng vai trị như một giải pháp cách nhiệt cho mái tòa nhà. Bên cạnh đó, giải pháp này cịn giúp tịa nhà đáp ứng tiêu chuẩn của các hệ thống chứng chỉ đánh giá CTX về tiêu chí sử dụng năng lượng tái tạo. Ngoài ra, giảm nhu cầu lượng điện năng cung cấp bởi lưới điện đồng nghĩa với việc giảm tải cho ngành điện, góp phần giảm lượng than được dùng tại các nhà máy nhiệt điện, từ đó giảm phát thải khí CO2 ra mơi trường.
6.6. Tóm tắt chương 6
Dựa vào các nghiên cứu trước, các tài liệu kỹ thuật về CTX, cơng trình HQNL, tác giả đã tổng hợp các giải pháp TKNL cho tịa nhà. Bên cạnh đó, phần mềm Autodesk Ecotect Analysis 2011 cũng được sử dụng để minh họa tính hiệu quả của một số giải pháp.
Chương này tập trung liệt kê các giải pháp có thể nghiên cứu áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế dự án, trong đó, lựa chọn hướng cơng trình, tối ưu lớp vỏ